🗊Презентация Перспективы железобетона. Направления развития

ПЕРСПЕКТИВЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Направления развития Совершенствование норм Совершенствование методов расчета Внедрение эффективных конструктивных форм Развитие бетона и арматуры

Развитие норм Совершенствование теоретической и экспериментальной базы; Развитие метода предельных состояний (уточнение прочности, нагрузок, расчетных коэффициентов); Внедрение вероятностных методов расчета СК и методов теории надежности СК

Недостатки метода предельных состояний Оперирует с фиксированными числами, хотя все расчетные параметры случайны и переменны во времени; Каждый элемент несущей системы и вид ПС рассматриваются независимо, отдельно, а не как части системы; Нет возможности учета дефектов и повреждений элементов

Основные положения теории надежности СК Все расчетные параметры (нагрузки, прочность, условия эксплуатации, дефекты и повреждения и пр.) являются случайными величинами или функциями; Связи между расчетными параметрами являются стохастическими; СК рассматриваются как единая система со множеством подсистем, с зависимыми и независимыми связями; Соединения между элементами и конструкциями в зависимости от степени свободы моделируются структурными связями.

Этапы развития методов расчета и критериев

Перспективные конструктивные решения

Гражданские здания Крупнопанельные здания – увеличение шага поперечных стен до 6, 7.2, 9 и 12 м, применение большепролетных пустотных плит; легкие и ячеистые бетоны для стен; Каркасно-панельные – развитие серии межвидового применения 1.020 – применение различных типов плит; Расширение планировочных решений монолитных зданий; Развитие сборно-монолитных систем.

Московский связевой унифицированный каркас 1 – панели наружных стен; 2 – плиты-распорки; 3 – плиты перекрытий; 4 – диафрагмы жесткости; 5 – ригели; 6 – колонны; 7 – плиты лоджии; 8 – лестничные марши; 9 – металлическая накладка (рыбка).

Фрагменты большепролетных каркасов – варианты серии 1.020-1

Стена из крупных трехслойных железобетонных блоков: 1 – простеночные; 2 – подоконные; 3 – перемычечные; 4 – угловые.

Сборно-монолитное перекрытие с арматурой, напрягаемой в построечных условиях (а) и сборными преднапряженными балками (б)

Каркасная система с натяжением арматуры в построечных условиях

Панельный дом со сборно-монолитными перекрытиями и с внутренними стенами в виде пилонов

Промышленные здания

Рациональные области применения монолитного железобетона в производственных зданиях Фундаменты под колонны и оборудование Несущие конструкции зданий с сеткой колонн 6х6 м и 6х12 м при v ≥ 30 кН/м2; Безбалочные каркасы при v ≥ 25 кН/м2; Здания горнорудной, угольной, цементной промышленности; Стволы жесткости сборно-монолитных многоэтажных зданий; Подземные констукции (подвалы, тоннели и др.).

Развитие бетона и арматуры Усовершенствование бетонов на плотных заполнителях (тяжелые бетоны); Широкое использование легких бетонов; Внедрение: бетонов на расширяющих вяжущих; фибробетонов; полимербетонов; специальных бетонов; эффективной стальной арматуры; неметаллической арматуры.

Ситуация бетона в России В России 75…80 % конструкций и изделий изготавливается из тяжелого бетона, в том числе мелкозернистого. 20…25 % приходится на легкий и ячеистый бетон. В сборном домостроении применяется в основном бетон классов по прочности B15…B22,5 (83%), на классы B30 и выше приходится менее 15%. В монолитном домостроении применяется в основном бетон низких классов B7,5…B15 (63%), средних классов B20…B22,5 (33%), на бетон класса B30 и выше приходится 4%.

Пути усовершенствования бетонов на плотных заполнителях (тяжелых бетонов) внедрение вместо «классического» бетона, многокомпонентного бетона за счет применения полифункциональных модификаторов (ПФМ), в том числе химдобавок с минеральными добавками (техногенные – зола, шлаки, микрокрмнезем и др.) до 100%; снижение расхода цемента при обеспечении однородности бетона (коэффициент вариации ν ≤ 13,5%); совершенствование технологии производства – максимальная активация вяжущего (повышение тонкости помола, повторное вибрирование, раздельная технология перемешивания, мокрый домол и т. д.), ускорение твердения бетона, применение средств автоматизации и компьютеризации; повышение долговечности бетона за счет повышения морозостойкости (F) и водонепроницаемости (W), назначения их дифференцированно в зависимости от условий эксплуатации; унификация требований российских стандартов с международными;

Легкие бетоны В соответствии с ГОСТ 25820 и ГОСТ 25192 – это бетоны марки по средней плотности D2000 и ниже. Соотношение легких бетонов: керамзитобетон – 80%; на основе природных пористых заполнителей (туф, лава, пемза и др.) - 8%; на основе искусственных минеральных заполнителей (металлургический шлак, золы и шлаки ТЭС - 7% и органических заполнителей (перлитобетон, вермикулитобетон, полистиролбетон, арболит) - 5%.

Достоинства легких бетонов по сравнению с тяжелыми бетонами морозостойкость выше (до 2 раз), лучше водонепроницаемость за счет плотной зоны контакта, выше стойкость к агрессивной среде (строят морские суда), выше огнестойкость за счет более равномерного распределения плотности и фазового состава – зон контакта плотных и рыхлых компонентов (керамзитобетон выдерживает до 900 0С, шлакопемзобетон – до 1000 0С, тогда как тяжелый бетон – до 300…400 0С).

Возможности применения легких бетонов В НИИЖБ разработаны ЛБ классов прочности на сжатие В25…B80, высокой морозостойкости (марки F500…F1500) и особенно низкой проницаемости (марки W8…W16). За рубежом в качестве заполнителя для ЛБ широко используются отходы древесины. Конструкции и изделия из таких бетонов в виде панелей стен, покрытий и перекрытий, блоков и элементов опалубки применяют в жилищном, общественном, промышленном и сельскохозяйственном строительстве многих стран, в частности материал «Дюризол» Предложены и подтверждены на всех стадиях работы экспериментальные методы расчета трехслойных железобетонных конструкций с наружными слоями из конструкционных ЛБ и ТБ и внутренним слоем из теплоизоляционного ЛБ. Установлено, что вплоть до разрушения слои работают совместно как в изгибаемых, так и в сжатых элементах при нагружении одного из слоев.

Бетоны на расширяющих вяжущих Расширяющие цементы (РЦ) - вяжущие, увеличивающиеся в объеме в процессе твердения – Бетоны на РЦ делятся на две группы: самонапряженные бетоны; бетоны с компенсированной усадкой. Наиболее распространенным представителем РЦ в России является напрягающий цемент (НЦ). В настоящее время для нужд строительства получается самонапряжение до 3 МПа. Расширяющая сила РЦ достигает такой силы, что их применяют для разрушения горных пород (невзрывчатые разрушающие вещества – НРВ).

Достоинства бетонов на РЦ: повышенное сопротивление растяжению; лучшая трещиностойкость; морозостойкость, водонепроницаемость коррозионная стойкость. Это объясняется помимо внутреннего объемного обжатия, также и особенностью химико-минералогического состава цемента, который в затвердевшем состоянии имеет фиброобразную структуру.

Фибробетоны Бетоны, армированные фибрами, равномерно распределенными по объему

Достоинства по сравнению с обычным бетоном Имеют в несколько раз большую: прочность на растяжение и срез (до 15…20 раз); ударную прочность; трещиностойкость; морозостойкость; водонепроницаемость; сопротивление кавитации; усталостную прочность; жаропрочность; пожаростойкость; вязкость разрушения.

Виды фибры дисперсной арматуры: Стальная; Стеклянная; Базальтовая; Углеродная; Синтетические и другие волокна. Наибольшее распространение получили сталефибробетон и стеклофибробетон.

Применения в конструкциях Рекомендуются в конструкциях, работающих: преимущественно на ударные нагрузки, истирание, продавливание и атмосферные воздействия; на сжатие при небольших (случайных) эксцентриситетах приложения продольной силы; на изгиб при соблюдении условий, исключающих их хрупкое разрушение в конструкциях с экономической ответственностью;

Требования к материалам фибробетона размер зерен крупного заполнителя не должен превышать 1/3 длины фибры соотношение крупного и мелкого заполнителей должно быть ниже, чем для обычного бетона и составлять 0,4…0,8. стеклофибробетон изготавливается только на мелкозернистом бетоне. минимальное и максимальное объемное содержание фибры должно составлять для сталефибробетона – 0,5…2,0 %; стеклофибробетона – 1,2…4,0 %. фибра имеет различное поперечное сечение (круглое, прямоугольное и др.), с размерами от 0,2 до 1,6 мм, и длину от 5 до 160 мм. Прочность на растяжение 400…3000 МПа. Наибольшее применение получила фибра из проволоки диаметром 0,3…1,0 мм и длиной 45…100d (d – диаметр проволоки).

Фибра стальная Для фибрового армирования сталефибробетонных конструкций принимается стальная фибра: Фрезерованная из слябов, ТУ 0882-193-46854090; Резаная из стального листа ТУ 0991-123-53832025; Рубленая из проволоки, ТУ 1211-205-46854090;

Фибробетонные конструкции в зависимости от их армирования подразделяют на конструкции: с фибровым армированием – при армировании фибрами, равномерно распределенными по объему бетона всего элемента; с комбинированным армированием – при армировании фибрами в сочетании со стальной или стеклопластиковой арматурой. Несущие фибробетонные элементы, как правило, должны выполняться с комбинированным армированием

Схема усилий и эпюры напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого фибробетонного элемента

Схема усилий и эпюры напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого фибробетонного элемента с комбинированным армированием

Полимербетоны

Полимербетоны делятся на три основные группы: бетоны на основе полимерных связующих – полимербетоны (ПБ); цементные бетоны, модифицированные полимерами – полимерцементные бетоны (ПЦБ); цементные бетоны, пропитанные мономерами или олигомерами – бетонополимеры (БП).

Композиционно-конструкционные, химически стойкие материалы, рациональной областью применения которых являются сооружения и конструкции, подвергающиеся интенсивному воздействию агрессивных сред. Сочетают достоинства прочных природных материалов с относительно простыми способами получения конструктивно сложных изделий. По многим физико-механическим и эксплуатационным характеристикам превосходят бетоны на минеральных вяжущих. Достоинства – высокая плотность, высокая прочность на сжатие, химическая стойкость, диэлектрические свойства.

Полимерцементные бетоны В процессе изготовления в бетонную смесь добавляют водорастворимые полимерные материалы (латексы, водные дисперсии поливинилацетата, водорастворимые эпоксидные, акриловые, кремнийорганические, карбамидные и другие смолы) в количестве от 2-3 до 18-20%. Основное назначение – применение в отделочных работах

Бетонополимеры Получают пропиткой цементных бетонов после твердения Наибольшее распространение получили бетонополимеры с частичной или поверхностной пропиткой низковязкой быстрополимеризующейся пропиточной композицией обычно на основе метилметакрилата (ММА) Эффект – повышает прочность бетона до 2-3 раз, водонепроницаемость до W16-20, морозостойкость до F300-500 Область применения – ремонт и восстановление поврежденных и разрушенных железобетонных и каменных конструкций, включая кирпичные и из природного камня

Полимербетоны Сущность Получают в результате перемешивания и твердения смеси из полимерного связующего, отвердителей, модифицирующих добавок и химически стойких наполнителей различной дисперсности, без участия минеральных вяжущих и воды. Полимерное вяжущее – композиция из синтетических мономеров или олигомеров – смолы эпоксидные, фурановые, фенолформальдегидные, полиэфирные, карбамидые, акриловые. Иногда армируют стальной или стеклопластиковой арматурой или дисперсной арматурой из нити, волокна, металла, стекла, полимера, горных пород

Достоинства полимербетонов Расход связующего составляет 5-10% общей массы полимербетона, поэтому стоимость по сравнению пластмассами значительно ниже. Достоинства : высокая прочность (до 100-190 МПа) низкая усадка высокий модуль упругости широкий диапазон плотности (300-5500 кг/м3) Области применения: несущие и ответственные конструкции теплоизоляционные слои используются в, агрессивных средах наибольшие перспективы

Свойства полимербетонов по отношению к обычным бетонам Достоинства : высокая прочность на сжатие и растяжение высокая трещиностойкость широкий диапазон плотности (300-5500 кг/м3) стойкость к большинству агрессивных сред хорошая адгезионная способность быстрый набор прочности Недостатки: Повышенная деформативность при длительных нагрузках Сравнительно низкая теплостойкость Повышенная горючесть токсичность составляющих при производстве Дефицитность и высокая стоимость ряда смол

Специальные бетоны

Получают применяя: специальные вяжущие; специальные заполнители; специальные химические добавки-модификаторы; специальное армирование

Виды Особовысокопрочные Особовысокоплотные Кислотостойкие Жаростойкие Радиоэкранирующие Радиоизолирующие Электропроводящие и пр.

Специальные бетоны по виду вяжущего Магнезиальные достоинства – не требует влажного выдерживания, высокая огнестойкость и низкая теплопроводность, износостойкость, высокая ранняя прочность, стойкость к действию масел,, органических растворителей, биологической коррозии; недостатки – неводостойкость Бетоны с короткими, ранними и регулируемыми сроками схватывания (30 МПа за 45 минут и менее) на фосфатных цементах и на модифицированных цементах с галогеналюминатами кальция Кислотостойкие бетоны - на растворимом стекле, заполнители – плотные кварц, базальт или порфир. Серные бетоны – связующее сера, получаемая из природного газа, имеют большую выносливость

Особовысокопрочные бетоны Область применения: суровые условия и длительная эксплуатация (более 100 лет): большепролетные мосты, нефтяные платформы на Севере, скоростные магистрали и пр. Обусловлены появлением эффективных модификаторов, получением высокопрочных цементов, микрокремнезема, возможностями снижения В/Ц Типовой состав: портландцемент -400 кг/м3; микрокремнезем -133 кг/м3; кварцевый песок 0,25-1 мм -141 кг/м3; то же, 1-4 мм -566 кг/м3; крупный заполнитель -1153 кг/м3; нафталиновый суперпластификатор -13,5 кг/м3; вода -100 кг/м3. Прочность при разных заполнителях: на граните -125 МПа, на диабазе -168 МПа, на кальцинированном боксите 10 мм -218 МПа, то же, 4 мм -268 МПа. Перспективные цементы-композиты: MDF – цемент свободный от дефектов; ПРК – цемент с пониженным содержанием пор; РПК – реактивные порошковые композиты

Особотяжелые бетоны Область применения: атомная энергетика – радиоэкранирование. Для защиты от α и β частиц особотяжелые бетоны, от γ-излучений – сверхособотяжелые бетоны ρ>4 т/м3 (например на ильмените), от нейтронных источников – гидратные бетоны с повышенным содержанием химически связанной воды. Плотность: лимонитовый щебень и песок – 2,3-3,0 т/м3; магнетитовый щебень и песок – 2,8-4,0 т/м3; баритовый щебень и обычный песок – 3,3-3,6 т/м3; чугунный скрап – 3,7-5,0 т/м3.

Высококачественные бетоны Срок службы около 500 лет Критерии качества: Высокая механическая и ранняя прочность Высокое сопротивление истираемости Низкая проницаемость к воде и химическим ионам Низкая адсорбционная способность Низкий коэффициент диффузии Высокая химическая стойкость Высокий модуль упругости Высокая морозостойкость Стабильность объема Бактерицидность и фунгицидность

Бетоны на ЦНВ - цементах низкой водопотребности ЦНВ – новое поколение цементов Получают по специальной технологии совместным тонким помолом ингредиентов: клинкера или портландцемента и сухого модификатора, при необходимости добавок и гипса. УПЗ- удельное потребление заполнителей за счет значительного снижения контурных пор увеличивается до 18-30 раз, что соответствует характеристикам полимербетонов. Достоинства: значительно повышаются технологичность, качество бетона, отказ от тепловой обработки, проектная прочность достигается за 1 сутки, экономия портландцемента в 1,7-2,4 раза, многовариантность составов и свойств бетона, возможность создания высококачественных, архитектурно вырзительных изделий и конструкций с высококачественной декоративной поверхностью

Перспективные направления развития бетоноведения /ЯПНИИС/: создание высокопрочных бетонов с прочностью 60-100 МПа, что соответствует классу по прочности В45-В80; разработка специальных морозостойких бетонов, применяемых в гидротехническом и дорожном строительстве на уровне F 600 и выше, обеспечивающих безопасность объектов; разработка легких теплоизоляционно-конструкционных бетонов плотностью 500…600 кг/м3 , прочностью не ниже 2,5 МПа для устройства самонесущих стен для каркасных и малоэтажных зданий; разработка технологии производства конструкционного высокопрочного керамзитобетона прочностью 25÷40 МПа для несущих конструкций многоэтажных зданий с целью уменьшения веса здания; разработка беспрогревных технологий производства сборных и монолитных железобетонных конструкций, включая производство работ при отрицательных температурах среды; создание многокомпонентных тонкомолотых цементов для производства бетонов различного назначения; разработка полифункционального комплекса химических добавок на основе ПФМ-НЛК, обеспечивающих твердение бетона при отрицательной температуре ускорения твердения при беспрогревных технологиях; разработка технологии производства особолегкого керамзитового гравия или другого заполнителя плотностью 350÷400кг/м3

Арматура для ЖБК

Ситуация арматуры для ЖБК Арматура классов А240 и А300 снимается из производства как неэффективная Арматура класса А400 из стали 25Г2С из-за дефицитности и высокой стоимости легирующих присадок выпускается мало, из стали 35ГС имеет ограничения по условиям применения. С 1993 года все европейские страны отказались от применения арматурной стали А400 Технологический прогресс в области производства стали обусловил постепенный переход на свариваемую арматуру из термомеханически упрочненных сталей Ст3сп и Ст5пс класса А500С и А600С (зарубежные аналоги В500 и В600). Стандарт СТО АСЧМ7-93

Эффективная стальная арматура Преимущества арматуры класса А500C перед арматурой класса А400 (A-III): высокая пластичность, как в исходном состоянии, так и после сварки (хладостойкость при температурах до -70 град.С выше, чем у стали 10ГТ (А240), поэтому вполне применима и для монтажных петель); полное исключение вероятности хрупких разрушений сварных соединений; более высокие предел текучести и расчетное сопротивление, позволяющие получать до 20% экономии стали; низкая себестоимость (цена арматуры класса А500C не превышает цены арматуры класса А400 из стали 35ГС).

Эффективная стальная арматура Химический состав при микролегировании ванадием: С(0,16-0,22); Мn(0,60-0,90); Si(0,50-0,90); V(0,12-0,20), Cэкв = 0,37-0,42%. Виды: термомеханически упрочненная (d = 6…25 мм) термомеханически упрочненная с дополнительным легированием (d = 28…40 мм) микролегированная ( d = 10…40 мм); холоднодеформированная (d = 3…12 мм). Поставка: в прутках(d = 8…40 мм); в мотках ( d = 4…16 мм).

Напрягаемая стержневая арматура Достоинства: Прямолинейность Стойкость против коррозии Относительно низкая цена Способы производства: Горячекатаная Горячекатаная с упрочняющей вытяжкой Термомеханически упрочненная Виды: Несвариваемая (технологичная и дешевая) Свариваемая (более дорогая) Классы: А600 (А-IV), А800 (A-V), А1000 (A-VI)

Профили арматуры

Маркировка арматуры

Основные соединения винтовой арматуры

Использование винтовой арматуры для крепления опалубки:

Неметаллическая арматура Области применения: Ответственные сооружения в сильно агрессивных средах при недостаточной стойкости стальной арматуры Необходимость использования антимагнитных, диэлектрических свойств Ограниченные запасы руд для получения стали и легирующих добавок Виды: стекловолокно, базальтоволокно, углепластик, арамидные волокна, алюмоборосиликат Расчет выполняется по нормам проектирования железобетонных конструкций с введением дополнительных коэффициентов. Используется в конструкциях только в предварительно напряженном виде.

Характеристики неметаллической арматуры

Монолитный железобетон Применение на 1 человека США – 0,75 куб.м; Япония – 1,2 куб.м; Германия – 0,80 куб.м; Франция – 0,50 куб.м; Италия – 1,1 куб.м; Израиль – 2,0 куб.м; Россия – 0,15 (надземная часть зданий – 25-30%). Преимущества монолитного железобетона

Проблемы железобетона Экология – снижение энергетической нагрузки на производство, безотходное производство, исключение вредных примесей, повышение долговечности материалов Высокое качество – разработка нового поколения нормативных документов, создание системы управления качеством, создание надежных приборов Архитектурная выразительность – удачное формообразование сооружений, использование цветных бетонов, рельефной поверхности бетона, водостойких красок.

Утеплитель Пенополистирол – через 5 лет сопротивление теплопередаче снижается до 50%; Базальтовые волокна – через 20 лет не обеспечивают расчетные характеристики, после пропарочных камер сопротивление теплопередаче снижается до т50-60%

Наружные стены Вентилируемые фасады – срок службы 15-25 лет, надежность Коэффициент паропроницаемости: Кирпич 0,12; Пенополистирол – 0,03; Минвата – 0,55; Газосиликат – 0,15

Проблемы связанные с использованием вентилируемых фасадных систем. В связи с переходом на повышенный уровень требований по энергосбережению толщина утеплителя П125 должна составлять примерно 200 мм. В этих условиях остается под вопросом надежность закрепления кронштейнов в стене, особенно при применении плит с большой плотностью. Имеется вопрос с назначением минимально допустимой толщины вентилируемой воздушной прослойки. В различных рекомендациях приводится толщина в пределах 30-150 мм. Одним из важных вопросов в фасадных конструкциях зданий является различная долговечность применяемых материалов. Особое опасение вызывает долговечность теплоизоляционного слоя при циклических температурных воздействиях, характерных для условий Якутии. В качестве теплоизоляционного слоя в вентилируемых фасадах используются минераловатные плиты различной плотности. Эти материалы благодаря волокнистой структуре способны фильтровать потоки воздуха, что может стать причиной ухудшения теплозащитных качеств вентилируемых фасадов.

Дефекты в вентилируемых фасадных системах.

Тепловизионная съемка здания школы №17 г.Якутска.

Тепловизионная съемка корпуса гуманитарных факультетов ЯГУ.

Направления развития механики мерзлых грунтов для повышения устойчивости и надежности зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах создание базы данных о температурном режиме грунтов по проекту и фактическом на момент сдачи объекта в эксплуатацию; исследования свойств мерзлых и оттаявших грунтов в условиях сложного напряженного состояния; совместное рассмотрение теплового и силового воздействия на мерзлые грунты с применением положений термодинамики; проведение натурных экспериментальных работ по применению современных технологий укрепления оттаявших оснований (цементация, струйная технология) для оценки их влияния на температурный режим грунтов и напряженно-деформированное состояние основания деформируемых зданий и для их широкого внедрения при усилении зданий; разработка ТСН по основаниям и фундаментам с учетом фактических данных по формированию температурного режима грунтов, с включением таблиц нормативных значений характеристик для наиболее распространенных хотя бы в больших городах видов грунтов с учетом их оттаивания.

Микродур – инъекционное минеральное вяжущее

Визуальное сравнение: Цемент - Микродур

Лабораторная и натурная проверка инъекционного закрепления грунта с применением ОТДВ Микродур

Вид грунтобетонного массива при углублении подвала здания

Проектные задачи, решаемые наращиванием фундаментов инъекционными грунтобетонными массивами

Сваи с опорной грунтобетонной пятой или бандажом

ИнжПроектСтрой

СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НОВОГО ТИПА А.Г. Малинин, к.т.н., член Правления Тоннельной ассоциации России, Технический директор ЗАО «ИнжПроектСтрой» П.А. Малинин, ведущий инженер-геотехник ЗАО «ИнжПроектСтрой»

Буроинъекционные сваи

Буроинъекционные сваи

Сваи Titan

Сваи Titan

Струйная цементация

Струйная цементация

Струйная цементация